環(huán)氧瀝青混合料路用性能及機(jī)理研究

摘 要：對(duì)環(huán)氧瀝青混合料的空隙率測(cè)定方法、馬歇爾穩(wěn)定度增長(zhǎng)規(guī)律、抗裂、抗滑等關(guān)鍵性能及機(jī)制進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：環(huán)氧瀝青混合料的瀝青吸收系數(shù)大于1，用飽水率計(jì)算空隙率更為合理；較粗的級(jí)配會(huì)降低初期馬歇爾穩(wěn)定度，較小的氣溫日較差和一定時(shí)長(zhǎng)的日照有利于穩(wěn)定度增長(zhǎng)；已固化顆粒的物理填充不能提高穩(wěn)定度，混合料的高強(qiáng)度源于環(huán)氧樹脂與瀝青混溶后的共同固化。應(yīng)依據(jù)不同的固化特性制定有針對(duì)性的水穩(wěn)定性檢驗(yàn)方案，固化度不足時(shí)殘留穩(wěn)定度會(huì)大于100%。環(huán)氧瀝青混合料低溫劈裂強(qiáng)度和韌性較高，劈裂應(yīng)變較小，劈裂強(qiáng)度是表征抗裂性能的最佳指標(biāo)，空隙率和容留時(shí)間的增加會(huì)降低抗裂性能；粗集料斷裂增加環(huán)氧瀝青混合料的脆性，砂漿含量的增加有益于韌性，兩者協(xié)同影響抗裂能力。不同配合比的構(gòu)造深度差異很小，級(jí)配越細(xì)、瀝青砂漿越粗糙、固化度越低時(shí)擺值越大。路面磨損會(huì)使構(gòu)造深度進(jìn)一步減小，但擺值增加。

關(guān)鍵詞：道路工程；環(huán)氧瀝青混合料；空隙率；性能機(jī)理；橋梁路面

中圖分類號(hào)：U414

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào) 1000-5269（2023）03-0114-11

DOI：10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2023.03.16

環(huán)氧樹脂的反應(yīng)性及其不可逆性使環(huán)氧瀝青混合料的性能持續(xù)變化。一方面，為緩和固化反應(yīng)造成的容留-養(yǎng)生時(shí)間矛盾，黃紅明等［1］研究的環(huán)氧瀝青混合料在165～185 ℃時(shí)施工操作時(shí)間為2.5 h，最佳料溫175 ℃；郝增恒等［2］研究的高韌性環(huán)氧瀝青混合料在170 ℃時(shí)施工可操作時(shí)間達(dá)3 h，180 ℃時(shí)約2 h；施工溫度升高不僅縮短容留時(shí)間，也產(chǎn)生較高的應(yīng)力積累［3］；黃明等［4］試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用胺類固化劑的環(huán)氧瀝青黏度增長(zhǎng)速度較使用酸酐類固化劑要慢；外摻橡膠粉［5］、玄武巖纖維［6］、聚酯纖維［7］都會(huì)縮短容留時(shí)間；PANOS等［8］通過電磁感應(yīng)加熱縮短養(yǎng)生時(shí)間。另一方面，破壞的環(huán)氧樹脂不能逆向修復(fù)，即不能自愈合［9］，因此需要增強(qiáng)環(huán)氧瀝青混合料的抗裂能力，聚氨酯［10］、超支化聚酯［11］被用于與環(huán)氧樹脂復(fù)配；周威等［12］以長(zhǎng)鏈脂肪族二元羧酸為主固化劑，通過增容的方式提高固化物的斷裂伸長(zhǎng)率；CONG等［13］、ZHANG等［14］在瀝青中添加SBS改性劑提高了環(huán)氧瀝青的柔軟性；或者在混合料中外摻聚酯纖維［15］、橡膠顆粒［16］、短切玄武巖纖維、玻璃纖維［17］、聚乙二醇［18］提高粗集料強(qiáng)度［19］，都可以改善環(huán)氧瀝青混合料的抗裂性能。另外，路用性能的持續(xù)變化也增加了設(shè)計(jì)工作的難度，比如最大相對(duì)理論密度隨固化度變化而使得環(huán)氧瀝青混合料的空隙率難以確定［20］；各種路用性能隨固化度變化而變化也增加了驗(yàn)證試驗(yàn)的復(fù)雜性。

本文擬先分析空隙率的合理測(cè)定方法，然后開展不同配合比和養(yǎng)生條件下的穩(wěn)定度、抗裂和抗滑等關(guān)鍵性能的試驗(yàn)研究，進(jìn)一步揭示環(huán)氧瀝青混合料特性及其機(jī)理。

1 原材料

試驗(yàn)用基質(zhì)瀝青的25 ℃針入度52（0.1 mm），10 ℃延度15.1 cm，軟化點(diǎn)47.3 ℃。瀝青混合料專用高溫固化環(huán)氧樹脂的固化物23 ℃拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率分別為2.72 MPa、119%，7 d吸水率為0.13%。環(huán)氧樹脂與70#基質(zhì)瀝青按質(zhì)量比1∶1混合為環(huán)氧瀝青。集料為輝綠巖，產(chǎn)自河源市臨江鎮(zhèn)，4.75～9.50 mm碎石壓碎值11.5%，針片狀，含量7.7%，黏附性5級(jí)。石灰?guī)r礦粉產(chǎn)自韶關(guān)市翁源縣，塑性指數(shù)為3.9%。原材料密度見表１，其中環(huán)氧樹脂、環(huán)氧瀝青為60 ℃×4 d固化后的密度。

2 環(huán)氧樹脂的固化過程

環(huán)氧樹脂A組分（環(huán)氧樹脂）和B組分（固化劑）混合的均勻性會(huì)影響固化效果，試驗(yàn)室內(nèi)采用簡(jiǎn)單攪拌混合，生產(chǎn)中則采用特制的預(yù)混設(shè)備混合。為對(duì)比混合效果，同一批次環(huán)氧樹脂按2種方式分別混合制樣。預(yù)混設(shè)備排料口取樣和針入度試驗(yàn)如圖1所示。在60 ℃烘箱內(nèi)養(yǎng)生不同時(shí)間后檢測(cè)60 ℃針入度，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出：60 ℃環(huán)境下養(yǎng)生7 d，預(yù)混機(jī)混合的環(huán)氧樹脂60 ℃針入度從30（0.1 mm）降至4（0.1 mm），其中前2 d處于快速固化階段，之后固化減緩，養(yǎng)生7 d后環(huán)氧樹脂仍在繼續(xù)固化，60 ℃針入度能夠表征環(huán)氧樹脂的固化過程。2種混合方式下，樣品的固化規(guī)律一致，預(yù)混機(jī)混合的樣品60 ℃針入度略高是因?yàn)檩^長(zhǎng)時(shí)間的高速混合使部分環(huán)氧樹脂提前固化。室內(nèi)攪拌混合的樣品性能基本能夠反映實(shí)際生產(chǎn)的產(chǎn)品性能。

3 環(huán)氧瀝青混合料的空隙率

空隙率是瀝青混合料最重要的體積特征，研究空隙率的目的是分析瀝青混合料的路用性能。按照J(rèn)TG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的方法，計(jì)算改性瀝青混合料的空隙率應(yīng)采用計(jì)算最大相對(duì)理論密度；但是試驗(yàn)表明由此得到的空隙率顯然太小，甚至出現(xiàn)負(fù)值。

本文采用3種方式計(jì)算環(huán)氧瀝青混合料的空隙率：①用不同的礦料合成相對(duì)密度計(jì)算最大相對(duì)理論密度；②用不同養(yǎng)生時(shí)間的混合料實(shí)測(cè)最大相對(duì)理論密度；③實(shí)測(cè)飽水率，用回歸關(guān)系計(jì)算空隙率。計(jì)算結(jié)果見表2。實(shí)測(cè)最大相對(duì)理論密度是在混合料拌制完成后半冷卻狀態(tài)下分散，進(jìn)行不同條件養(yǎng)生后測(cè)量的。飽水率是在60 ℃×4 d+常溫×1 d的標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)生后按現(xiàn)行試驗(yàn)規(guī)程檢測(cè)，再根據(jù)SMA-13、AC-13空隙率與飽水率的回歸關(guān)系計(jì)算空隙率。環(huán)氧瀝青混合料空隙率與飽水率、吸水率的關(guān)系如圖3所示。

首先排除表2中空隙率為負(fù)值的方法，包括按有效相對(duì)密度、按合成毛體積相對(duì)密度計(jì)算的最大相對(duì)理論密度法，以及60 ℃養(yǎng)生后的實(shí)測(cè)最大相對(duì)理論密度法。

與普通瀝青混合料不同，60 ℃養(yǎng)生1 d或3 d的環(huán)氧瀝青混合料，其內(nèi)部微小氣泡難以逃逸，實(shí)測(cè)結(jié)果甚至比馬歇爾試件的毛體積相對(duì)密度?。ㄈ?#、6#試件）。剩下4種方法計(jì)算的空隙率，從大到小排序?yàn)椋簩?shí)測(cè)最大相對(duì)理論密度法（常溫×1 d）＞實(shí)測(cè)最大相對(duì)理論密度法（常溫×2 d）＞飽水率法＞計(jì)算最大相對(duì)理論密度法（按合成表觀相對(duì)密度）。固化前環(huán)氧瀝青在常溫下比基質(zhì)瀝青軟，呈半流半固態(tài)，真空下瀝青膜破裂，將過多的礦料開口孔隙計(jì)入了瀝青混合料空隙中，所以常溫養(yǎng)生的實(shí)測(cè)最大相對(duì)理論密度會(huì)大于按合成表觀相對(duì)密度計(jì)算的最大相對(duì)理論密度。

如果計(jì)算上述4種方法所得空隙率的均值，則均值與飽水率法所得空隙率的偏差最小，其次是實(shí)測(cè)最大相對(duì)理論密度法（常溫×2 d）。另外，環(huán)氧瀝青混合料的瀝青砂漿體積率高，空隙分布細(xì)小密集，開口空隙的占比較普通瀝青混合料要少，而1#試件飽水體積率為0.71%，按合成表觀相對(duì)密度計(jì)算的空隙率只有1.08%，即開口空隙占比高達(dá)70%，這顯然不符合實(shí)際情況。

所以，環(huán)氧瀝青混合料的真實(shí)空隙率應(yīng)該界于實(shí)測(cè)最大相對(duì)理論密度法（常溫×2 d）與飽水率法之間，由此反算的合成有效相對(duì)密度會(huì)大于合成表觀相對(duì)密度，原因是拌和溫度條件下環(huán)氧瀝青黏度很小，礦料開口孔隙擴(kuò)張，礦料的瀝青吸收系數(shù)C＞1。真實(shí)空隙率應(yīng)采用常溫養(yǎng)生超過2 d的實(shí)測(cè)最大相對(duì)理論密度法計(jì)算得到，但從表2可見這對(duì)固化條件的要求較為苛刻，實(shí)測(cè)結(jié)果不易穩(wěn)定。因此，采用飽水率（Sw）計(jì)算環(huán)氧瀝青混合料的空隙率（VV）最合理，計(jì)算式為VV=-0.294 9Sw2+3.02 4Sw+1.615 5。

若沿用計(jì)算最大相對(duì)理論密度法，則以合成表觀相對(duì)密度作為計(jì)算參數(shù)的空隙率最為合理，但由此所得混合料較相同空隙率的普通瀝青混合料，飽水率會(huì)增加（圖3）。

普通瀝青混合料目標(biāo)空隙率通常為4%，其對(duì)應(yīng)飽水率約為0.9%。飽水率0.9%對(duì)應(yīng)環(huán)氧瀝青混合料空隙率按合成礦料表觀相對(duì)密度計(jì)算約為3.6%，而按合成礦料有效相對(duì)密度計(jì)算則為1.9%。因此，《公路鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》JTG/T3364-02—2019要求設(shè)計(jì)空隙率1%～3%，可以保證環(huán)氧瀝青混合料的飽水性能與普通瀝青混合料相同。

4 環(huán)氧瀝青混合料的強(qiáng)度特性

60 ℃馬歇爾穩(wěn)定度是環(huán)氧瀝青混合料最主要的路用性能指標(biāo)，主要反映了環(huán)氧瀝青混合料的高溫抗剪能力。馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)后的試件如圖4所示。由圖4可以看出，試件主要是在夾具環(huán)向壓縮作用下發(fā)生內(nèi)部與上下表面之間的剪切破壞。

4.1 不同配合比的馬歇爾穩(wěn)定度

不同配合比環(huán)氧瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度如表3所示。1#至5#級(jí)配的2.36 mm通過率隨著級(jí)配變細(xì)依次增加，覆蓋了規(guī)范推薦的級(jí)配范圍。試驗(yàn)結(jié)果表明：標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生（60 ℃×4 d+常溫×1 d）條件下馬歇爾穩(wěn)定度與級(jí)配粗細(xì)、油石比的關(guān)系都不明顯，變化范圍90.23～125.31 kN，遠(yuǎn)高于規(guī)范要求的40 kN；常溫養(yǎng)生4 d的穩(wěn)定度變化范圍9.55～12.20 kN，級(jí)配最粗的1#級(jí)配穩(wěn)定度最低，5#級(jí)配油石比從6.61%降為6.15%，穩(wěn)定度降幅只有0.54 kN。

經(jīng)計(jì)算，表3中常溫養(yǎng)生4 d和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生的馬歇爾穩(wěn)定度的變異系數(shù)分別為11.00%、10.08%，說明級(jí)配、油石比變化對(duì)初期、標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定度的影響程度接近，且都屬于次要因素（主要因素是環(huán)氧樹脂用量）。但是，較粗級(jí)配或不合理的油石比會(huì)導(dǎo)致初期穩(wěn)定度較低，影響路面開放交通時(shí)間或造成路面早期損傷。

4.2 養(yǎng)生條件對(duì)馬歇爾穩(wěn)定度的影響

自然養(yǎng)生采用室內(nèi)養(yǎng)生、戶外養(yǎng)生和橋面養(yǎng)生3種方式，其中：室內(nèi)養(yǎng)生的溫度變幅最小，且無日曬雨淋，與橋梁路面下面層的養(yǎng)生環(huán)境相似，試驗(yàn)開展難度最??；同一地區(qū)戶外養(yǎng)生和橋面養(yǎng)生的溫度是相同的，但橋面沒有遮擋，日照時(shí)間更長(zhǎng)，可以模擬橋梁路面上面層的養(yǎng)生環(huán)境，試驗(yàn)開展更困難。不同養(yǎng)生條件的馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

由圖5可以看出：60 ℃養(yǎng)生條件下，前4 d穩(wěn)定度迅速增長(zhǎng)，第5～9天穩(wěn)定度在100 kN附近緩慢增長(zhǎng)；9 d后，部分試件的穩(wěn)定度有異常增長(zhǎng)，說明環(huán)氧樹脂的固化進(jìn)程并不穩(wěn)定，最終穩(wěn)定度尚不確定。而圖2中未經(jīng)歷高溫容留的環(huán)氧樹脂是前2 d快速固化，說明環(huán)氧樹脂在瀝青混合料高溫拌和、運(yùn)輸過程中產(chǎn)生變化，可能會(huì)使快速固化階段延長(zhǎng)。

4組標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度相近的試件在各自養(yǎng)生期的前18 d氣溫經(jīng)歷相近；第18天橋面養(yǎng)生試件的穩(wěn)定度最大，其次是室內(nèi)養(yǎng)生試件，戶外養(yǎng)生試件的穩(wěn)定度最小，說明當(dāng)日平均氣溫接近時(shí)，日較差小更有利于穩(wěn)定度的穩(wěn)定增長(zhǎng)；一定時(shí)長(zhǎng)的日照積累可使穩(wěn)定度快速增長(zhǎng)。穩(wěn)定度增長(zhǎng)速度的變化滯后于氣溫變化約5～6 d。

4.3 容留時(shí)間及二次加熱的影響

不同容留時(shí)間環(huán)氧瀝青混合料的空隙率和穩(wěn)定度如表4所示。在170 ℃環(huán)境下容留245 min，環(huán)氧瀝青混合料的空隙率、穩(wěn)定度沒有明顯變化，甚至在常溫放置7 d后又二次加熱2.5 h，空隙率、穩(wěn)定度依然沒有明顯變化；在185 ℃環(huán)境下容留168 min，環(huán)氧瀝青混合料的穩(wěn)定度有小幅下降，但空隙率無變化，容留212 min后空隙率有一定增加。說明環(huán)氧瀝青混合料的施工溫度不宜高于185 ℃，可以在常溫放置后進(jìn)行二次加熱，這有利于施工質(zhì)量檢測(cè)，也便于坑槽填補(bǔ)。

4.4 環(huán)氧樹脂提高瀝青混合料強(qiáng)度的機(jī)理

將已固化的環(huán)氧樹脂在高溫下粉碎，篩分得到小于0.6 mm的已固化環(huán)氧樹脂粉末（圖6），再按照表3中2#級(jí)配（油石比6.50%）制作成型試件，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

與相同環(huán)氧樹脂用量、相同配合比的正常環(huán)氧瀝青混合料（表3中2#級(jí)配）相比，大量已固化樹脂粉末的摻入增加了結(jié)合料的黏度，使瀝青混合料空隙率、飽水率都增大；無論養(yǎng)生過程是否加熱，固化粉末的摻入都未能提高瀝青混合料的穩(wěn)定度，只相當(dāng)于環(huán)氧瀝青混合料常溫固化4 d的穩(wěn)定度。由此說明：（1）環(huán)氧樹脂對(duì)瀝青混合料的物理填充不能改善其穩(wěn)定度，瀝青混合料中樹脂的固化必然包含瀝青在內(nèi)，即在固化前，瀝青分子進(jìn)入了環(huán)氧樹脂分子鏈，兩者一起固化方能大幅提升混合料的穩(wěn)定度；（2）未固化的環(huán)氧樹脂、固化劑都為液體，黏度低，而其混合料的穩(wěn)定度可以與已固化的固體環(huán)氧樹脂粉末填充瀝青混合料穩(wěn)定度相當(dāng)，說明環(huán)氧樹脂與瀝青在固化之前已經(jīng)混溶結(jié)合，結(jié)合料整體的黏度并不低。

4.5 浸水對(duì)馬歇爾穩(wěn)定度的影響——水穩(wěn)定性

水穩(wěn)定性是在水作用參與前后材料強(qiáng)度的變化，也屬于強(qiáng)度性質(zhì)。環(huán)氧瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。環(huán)氧瀝青混合料在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生后，其馬歇爾穩(wěn)定度隨60 ℃浸水時(shí)間的延遲而增長(zhǎng)，浸水2 d、4 d的殘留穩(wěn)定度分別達(dá)到111.9%、129.8%，說明60 ℃×4 d養(yǎng)生的環(huán)氧樹脂并未完全固化，即使在空隙率較高的情況下（3.5%左右），60 ℃浸水破壞力也不足以抵消固化產(chǎn)生的強(qiáng)度增長(zhǎng)，但不能以此判斷其水穩(wěn)定性。在60 ℃×10 d養(yǎng)生后，浸水2 d、4 d殘留穩(wěn)定度分別為105.5%、94.3%，說明此時(shí)環(huán)氧樹脂已完成固化，60 ℃浸水對(duì)環(huán)氧瀝青混合料確有一定的破壞性，但水穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

60 ℃固化4～10 d對(duì)于常溫環(huán)境中的路面而言時(shí)長(zhǎng)可能超過1年。雖然其間強(qiáng)度的增長(zhǎng)超過了水力破壞造成的強(qiáng)度損失，但由于環(huán)氧樹脂的破壞是不可逆的，并且強(qiáng)度尚未完成前當(dāng)量水力作用造成的損傷大于強(qiáng)度形成之后，因此對(duì)于固化時(shí)間較長(zhǎng)的環(huán)氧瀝青混合料，應(yīng)注意固化過程的性能評(píng)價(jià)。

水穩(wěn)定性除了考慮相同浸水時(shí)間下強(qiáng)度的變化，也應(yīng)考慮材料的持水特性。與相同空隙率的普通瀝青混合料相比，環(huán)氧瀝青混合料不僅飽水率高，且孔隙水的滲出需要更長(zhǎng)時(shí)間，細(xì)小密集的空隙分布為其營(yíng)造了更為苛刻的水力環(huán)境。

5 環(huán)氧瀝青混合料的抗裂性能

5.1 劈裂試驗(yàn)

用5 ℃劈裂試驗(yàn)分析環(huán)氧瀝青混合料的抗裂性能，試驗(yàn)結(jié)果見表7。試驗(yàn)規(guī)程要求劈裂試件厚度6.32±0.13 cm，但高強(qiáng)度的環(huán)氧瀝青混合料在此厚度下劈裂需要高壓力，試件脆斷炸裂為2半向周邊彈射，具有危險(xiǎn)性，并且試驗(yàn)設(shè)備伴隨振動(dòng)，豎向變形難以準(zhǔn)確測(cè)量。因此，本試驗(yàn)將試件厚度減少為2.0～3.0 cm，與現(xiàn)場(chǎng)鋪筑厚度相當(dāng)。劈裂強(qiáng)度、劈裂應(yīng)變按試驗(yàn)規(guī)程中提供的公式計(jì)算，應(yīng)變能密度等于劈裂強(qiáng)度與應(yīng)變的乘積除以2，沖擊韌性為劈裂壓力與對(duì)應(yīng)豎向變形的乘積除以2［21］。厚度2.5 cm左右的試件不僅與路面層厚相當(dāng)，端部摩擦因素減弱也使試驗(yàn)更接近平面應(yīng)力狀態(tài)。試件減薄后，劈裂強(qiáng)度降低約40%，說明劈裂試驗(yàn)有顯著的尺寸效應(yīng)。

由表7可以看出：試件5與試件7的空隙率和厚度都相近，劈裂強(qiáng)度也相近，但劈裂應(yīng)變、應(yīng)變能密度和沖擊韌性都有較大差異，說明劈裂試驗(yàn)的各指標(biāo)中，強(qiáng)度指標(biāo)較為穩(wěn)定、可靠。與試件8相比，試件9厚度較大、空隙率較低，但劈裂應(yīng)變、應(yīng)變能密度、沖擊韌性反而較小，只有劈裂強(qiáng)度基本相同，這也證實(shí)了強(qiáng)度指標(biāo)的可靠性。劈裂應(yīng)變、應(yīng)變能密度的主要問題在于泊松比難以實(shí)測(cè)；沖擊韌性指標(biāo)并不包含試件尺寸，試件加工的尺寸精度很難保證試驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定。

試件2與試件3的厚度相近，當(dāng)空隙率和飽水率減小，劈裂試驗(yàn)的各種指標(biāo)都有明顯提升，抗裂性能增強(qiáng)。

5#級(jí)配（薄層試件）二次加熱前后平均空隙率基本相同，即使二次加熱后的試件厚度較大，但平均劈裂強(qiáng)度較加熱前減少0.5 MPa，劈裂應(yīng)變也有減少，說明容留時(shí)間越長(zhǎng)，抗裂性能越差。

環(huán)氧瀝青混合料試件9的劈裂強(qiáng)度、劈裂應(yīng)變、應(yīng)變能密度、沖擊韌性能分別是SBS改性瀝青AC-13的3.0、0.4、1.2、1.2倍，說明環(huán)氧瀝青混合料具有較高的拉伸強(qiáng)度和韌性，但拉伸應(yīng)變較小。對(duì)于鋪筑在路面基層之上的瀝青混合料，在路面彎沉滿足要求情況下，拉伸應(yīng)變?cè)酱髣t抗裂性能越好。但是，對(duì)于基面剛度較低的鋼橋面路面而言，路面的模量對(duì)減少最大變形至關(guān)重要［22-23］，只有在保證相同整體變形情況下，應(yīng)變才是抗裂性能的關(guān)鍵。因此，應(yīng)用于鋼橋面時(shí)，環(huán)氧瀝青混合料的抗裂性能優(yōu)于SBS改性瀝青混合料，這一點(diǎn)在較多工程實(shí)踐中已得到證實(shí)。

5.2 環(huán)氧瀝青混合料斷裂機(jī)理

圖7是已固化環(huán)氧樹脂15 ℃劈裂后的外觀。在拉伸區(qū)域內(nèi)，環(huán)氧樹脂破壞呈絮狀且不具有規(guī)整斷面，絮狀物方向大體與劈裂方向一致（與拉伸方向垂直），絮狀物表面粗糙不透明，說明絮狀物的內(nèi)部已有損傷。這種呈區(qū)域而非面狀的劈裂破壞，大大增加了斷裂面的面積，是環(huán)氧樹脂具有高強(qiáng)度和一定韌性的內(nèi)在原因之一。

圖8是油石比6.73%的5#級(jí)配已固化環(huán)氧瀝青混合料5 ℃劈裂斷面。劈裂破壞區(qū)域?yàn)橐?guī)則斷面，幾乎整個(gè)斷面內(nèi)的輝綠巖粗集料（＞4.75 mm礦料摻配量20%）都發(fā)生了斷裂，說明5 ℃劈裂下環(huán)氧瀝青砂漿強(qiáng)度與粗集料接近（壓碎值11.5%），這是環(huán)氧瀝青混合料具有高劈裂強(qiáng)度且呈脆性斷裂的原因。劈裂面中的灰黑色部分為環(huán)氧瀝青斷裂面，即環(huán)氧瀝青砂漿的斷裂很少發(fā)生在細(xì)集料內(nèi)部，承受應(yīng)力作用的主要是環(huán)氧瀝青基體，這是環(huán)氧瀝青混合料具有一定韌性的原因。圖8中沒有發(fā)現(xiàn)礦料-瀝青的界面（通常為棕褐色）斷裂，證明環(huán)氧瀝青與石料在5 ℃時(shí)黏結(jié)良好。

綜上所述，環(huán)氧瀝青在低溫時(shí)強(qiáng)度高、黏結(jié)力強(qiáng)，混合料斷裂中包括大量的粗集料斷裂，造成環(huán)氧瀝青混合料的脆性斷裂，而環(huán)氧瀝青砂漿中作為基體的環(huán)氧瀝青承受主要的拉伸應(yīng)力，是混合料的韌性來源。由此可知，提高環(huán)氧瀝青強(qiáng)度并匹配低壓碎值粗集料可以保證環(huán)氧瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度和模量，較高的環(huán)氧瀝青含量、細(xì)集料含量可以保證環(huán)氧瀝青混合料的韌性，兩者共同決定了環(huán)氧瀝青混合料的抗裂能力。

圖6中的環(huán)氧樹脂是在65 ℃壓碎的。大塊狀的環(huán)氧樹脂表面光滑，屬于低強(qiáng)度脆裂，甚至用手可以輕松掰斷、搓碎。鑒于環(huán)氧樹脂沒有自愈合能力，高溫下瀝青混合料又比較軟，因此常溫、高溫下環(huán)氧瀝青混合料的疲勞抗裂性能值得關(guān)注。

6 環(huán)氧瀝青混合料的抗滑性能

6.1 室內(nèi)試驗(yàn)可行性

環(huán)氧瀝青混合料一般鋪筑于特殊路段，行車安全需求更高，其初期構(gòu)造深度?。?4］，因此抗滑性能值得關(guān)注。路面抗滑性能是在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，不同材料配合比的抗滑性能的對(duì)比較為困難，因此筆者考慮在室內(nèi)用馬歇爾試件進(jìn)行構(gòu)造深度試驗(yàn)和摩擦系數(shù)值試驗(yàn)，如圖9所示。室內(nèi)試驗(yàn)的主要問題是馬歇爾試件在成型時(shí)會(huì)有插搗的步驟，試件上下表面離析難以代表試件整體的抗滑性能。但是，環(huán)氧瀝青混合料最大公稱粒徑只有9.5 mm，且油石比、細(xì)集料含量高，插搗導(dǎo)致的上下表面差異較小，因此采用室內(nèi)試件試驗(yàn)具有可行性。馬歇爾試件的抗滑性能的部分試驗(yàn)結(jié)果見表8。

從表8可以看出：環(huán)氧瀝青混合料上下表面構(gòu)造深度差遠(yuǎn)小于AC-13和AC-20。所有試件上下表面構(gòu)造深度差值變化范圍0.01～0.12 mm，均值0.06 mm，大于0.1 mm試件占比僅7.7%，可以將7.7%的試件去除后，以上下表面均值作為試件的構(gòu)造深度。

環(huán)氧瀝青混合料試件上下表面擺值差與AC-13相比沒有優(yōu)勢(shì)。所有試件擺值（20 ℃）差值變化范圍為1.1～12.3，均值5.8。如果以上下表面擺值差小于5、小于6作為標(biāo)準(zhǔn)，則分別要排除64%、55%的試件。按相互垂直的4個(gè)不同方向檢測(cè)同一試件同一表面的擺值，極差達(dá)4.8，這說明上下表面擺值差較大的主要原因并非構(gòu)造深度的不同，而是試件上下表面不水平；按不同方向擺放時(shí)，表面坡度的變化影響擺值。

室內(nèi)抗滑試驗(yàn)結(jié)果見表9。為驗(yàn)證室內(nèi)試驗(yàn)方法的可靠性，采用5#級(jí)配，油石比6.61%進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間是施工完成后第7天。按“先膠后鋼”碾壓時(shí)，構(gòu)造深度均值0.17 mm，擺值（20 ℃）均值53.2；按“先鋼后膠”碾壓時(shí)，構(gòu)造深度均值0.18 mm，擺值（20 ℃）均值58.8。由于試驗(yàn)段鋪筑在水泥地面上，壓實(shí)的基面條件優(yōu)于鋼橋面板，而室內(nèi)試件成型采用模擬鋼橋面壓實(shí)的50×2次擊實(shí)，因此室內(nèi)試件的密實(shí)度應(yīng)小于現(xiàn)場(chǎng)密度，試件的構(gòu)造深度只是略大于現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)造深度。試件的擺值與“先鋼后膠”碾壓的擺值相差2，與“先膠后鋼”的擺值相差8，而規(guī)范推薦的表面層碾壓方式即為“先鋼后膠”。因此，抗滑性能室內(nèi)試驗(yàn)方法是可靠的。

6.2 抗滑性能試驗(yàn)

環(huán)氧瀝青混合料的構(gòu)造深度變化范圍0.18～0.21 mm，遠(yuǎn)小于AC-20、AC-13和規(guī)范對(duì)表面層構(gòu)造深度的要求。在較大的級(jí)配變動(dòng)范圍內(nèi)，構(gòu)造深度極差僅0.03 mm，相對(duì)而言，1#—3#級(jí)配較粗，構(gòu)造深度略大。環(huán)氧瀝青混合料的擺值滿足規(guī)范要求，擺值與細(xì)集料含量的關(guān)系明確，即級(jí)配越細(xì)擺值越大。

環(huán)氧瀝青混合料2.36 mm通過率高達(dá)50%～70%，油石比通常在6.60%左右，瀝青砂漿體積率遠(yuǎn)高于常規(guī)瀝青混合料，因此構(gòu)造深度對(duì)抗滑性能的調(diào)控很有限。多個(gè)試件的同一表面的構(gòu)造深度與擺值的關(guān)系如圖10所示。由圖10可見：擬合優(yōu)度僅為0.22，構(gòu)造深度與擺值兩者并無相關(guān)性，它們是兩個(gè)獨(dú)立的抗滑能力來源，增強(qiáng)抗滑性能應(yīng)主要基于擺值的提高。當(dāng)級(jí)配越細(xì)、油石比越低時(shí)，瀝青砂漿的面積率、粗糙度就越大，與膠片滑動(dòng)摩擦的面積也越大，所以擺值越大。

在試驗(yàn)段施工完成17 d后，再次檢測(cè)“先鋼后膠”碾壓段相同點(diǎn)位的擺值，結(jié)果為54.8，較養(yǎng)生7 d時(shí)降低了4.0。試驗(yàn)段并未開放交通，因此擺值降低主要與環(huán)氧瀝青的固化有關(guān)。固化度增加使路面整體模量提升，導(dǎo)致摩擦接觸面積減少［25］，擺值降低。開放交通后，隨著瀝青和集料磨耗的損失，環(huán)氧瀝青混合料的擺值會(huì)增加約10個(gè)擺值，但構(gòu)造深度會(huì)進(jìn)一步損失。

7 結(jié)論

1）60 ℃針入度可表征環(huán)氧樹脂的固化度。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件下，環(huán)氧樹脂前2 d快速固化，第7天后仍在繼續(xù)固化；經(jīng)過高溫施工條件的環(huán)氧瀝青混合料前4 d快速固化，第9天后仍在繼續(xù)固化。環(huán)氧瀝青混合料在170 ℃可容留超過4 h，也可二次加熱使用，具有較好的操作性。

2）固化過程中的環(huán)氧瀝青黏度變化顯著，因此采用實(shí)測(cè)法測(cè)定最大相對(duì)理論密度的時(shí)機(jī)難以把握：當(dāng)瀝青黏度過小時(shí)，會(huì)造成瀝青膜的破壞；當(dāng)黏度過大時(shí)，膠漿內(nèi)的氣泡又難以溢出，導(dǎo)致實(shí)測(cè)法試驗(yàn)結(jié)果變異性很大。若采用計(jì)算法，礦料瀝青吸收系數(shù)C大于1。因此，建議采用飽水率來推算其空隙率。

3）環(huán)氧瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度的大小主要取決于環(huán)氧樹脂的性能及其用量，而配合比、空隙率的影響較小，但較粗的級(jí)配或不合理的油石比會(huì)導(dǎo)致初期穩(wěn)定度較低，影響路面開放交通的時(shí)間或造成路面早期損傷。穩(wěn)定度的增長(zhǎng)速度變化滯后于氣溫變化約5 d，氣溫日較差小時(shí)更有利于穩(wěn)定度的穩(wěn)定增長(zhǎng)，一定時(shí)長(zhǎng)的日照積累可使穩(wěn)定度快速增長(zhǎng)。若固化時(shí)間較長(zhǎng)，應(yīng)進(jìn)行固化過程中和固化完成后的水穩(wěn)定性試驗(yàn)，以判斷服役初期和最終的水穩(wěn)定性。環(huán)氧瀝青混合料的高強(qiáng)度來源于環(huán)氧樹脂與瀝青的混溶后的共同固化，已固化環(huán)氧樹脂顆粒的物理填充無法大幅提高穩(wěn)定度。

4）環(huán)氧瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度和韌性優(yōu)于普通改性瀝青混合料，但劈裂應(yīng)變相對(duì)較小。當(dāng)基面剛度較小時(shí)，如鋼橋面，環(huán)氧瀝青混合料的低溫劈裂強(qiáng)度是表征其抗裂性能的最佳指標(biāo)。空隙率增大、容留時(shí)間延長(zhǎng)會(huì)降低環(huán)氧瀝青混合料的抗裂性能。環(huán)氧瀝青較高的低溫強(qiáng)度使其混合料的低溫?cái)嗝嬷邪舜罅康拇旨蠑嗝?，粗集料斷裂增加了環(huán)氧瀝青混合料的脆性，而較高的環(huán)氧瀝青含量、細(xì)集料含量又可以增加韌性，兩者聯(lián)合影響環(huán)氧瀝青混合料的抗裂能力。此外，環(huán)氧瀝青混合料在高溫時(shí)的開裂值得關(guān)注。

5）可以用馬歇爾試件的構(gòu)造深度和擺值評(píng)價(jià)環(huán)氧瀝青混合料的抗滑性能。不同配合比時(shí)構(gòu)造深度變化較小，抗滑性能的改善主要依靠擺值指標(biāo)的提升。級(jí)配越細(xì)、瀝青砂漿越粗糙時(shí)，擺值越大。環(huán)氧瀝青固化會(huì)使擺值降低，但路面磨損又會(huì)使擺值提高。

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（責(zé)任編輯：周曉南）

Abstract： The key properties and mechanisms of epoxy asphalt mixture， such as air voids measurement method， Marshall stability growth law， crack resistance and skid resistance， were experimentally studied. The results show that the asphalt absorption coefficient of epoxy asphalt mixture is greater than 1 and it is more reasonable to calculate the volume of air voids according to saturation ratio. Coarser gradation reduces the initial Marshall stability while smaller temperature difference between the day and certain period of sunshine are beneficial to the growth of the stability. Physical filling of solidified particles cannot improve the stability. High strength of the mixture comes from the co-curing of epoxy resin and asphalt after being mixed. Water stability test plan should be made according to different curing characteristics because inadequate curing leads to the residual stability exceeding 100%. Epoxy asphalt mixture has small splitting strain， high toughness and high low-temperature splitting strength， the best indicator to characterize crack resistance. The increase of volume of air voids and residence time will reduce crack resistance. Moreover， the fracture of large amount of coarse aggregate increases the brittleness of epoxy asphalt mixture， and a higher mortar content contributes to its toughness， both of which affect the crack resistance. Finally the texture depth difference of different mix ratios is very small; when the gradation is finer， the asphalt mortar is coarser， and when the curing degree is smaller， the BPN is larger; the pavement wear further reduces the texture depth， but increases the BPN.

Key words： highway engineering; epoxy asphalt mixture; volume of air voids; performance mechanism; bridge deck pavement

作者簡(jiǎn)介：劉 克（1983—），男，正高級(jí)工程師，碩士，研究方向：路基路面工程，E-mail：liuke20027@163.com.

*通訊作者：劉 克，E-mail：liuke20027@163.com.